JP6668019B2 - Electrode catalyst for fuel cell, fuel cell, and method for producing the electrode catalyst - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池に用いられる電極触媒、その電極触媒を用いた燃料電池、及びその電極触媒の製造方法に関する。   The present invention relates to an electrode catalyst used for a fuel cell, a fuel cell using the electrode catalyst, and a method for producing the electrode catalyst.

化石燃料の枯渇やその使用による大気汚染の観点から、化石燃料を使用しない新たなエネルギーとして、燃料電池の利用が注目され、実際に使用され始めている。   From the viewpoint of depletion of fossil fuels and air pollution caused by their use, fuel cells have been attracting attention as new energy without using fossil fuels, and have actually begun to be used.

その中でも、固体高分子形燃料電池(PEFC)は、その作動温度の低さから、家庭用オンサイト発電や燃料電池車への利用が期待されている。しかしながら、固体高分子形燃料電池は、その価格の高さから思ったように普及が進んでいない。これは、固体高分子形燃料電池の空気極側における酸素還元反応(ORR)の電極触媒として、枯渇の恐れが高い白金(Pt)を使用しているためである。   Among them, polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) are expected to be used for home on-site power generation and fuel cell vehicles because of their low operating temperatures. However, polymer electrolyte fuel cells have not spread as expected because of their high price. This is because platinum (Pt), which is likely to be depleted, is used as an electrode catalyst for the oxygen reduction reaction (ORR) on the air electrode side of the polymer electrolyte fuel cell.

また、リン酸形燃料電池(PAFC)は、作動温度が比較的低く、現在、工業用の大規模発電等に広く実用化されている。しかしながら、リン酸形燃料電池においても、固体高分子形燃料電池と同様に空気極側の電極触媒としてPtを使用しているため、経済性の観点から改良の余地がある。   Further, a phosphoric acid fuel cell (PAFC) has a relatively low operating temperature, and is currently widely used for industrial large-scale power generation and the like. However, also in the phosphoric acid type fuel cell, Pt is used as the electrode catalyst on the air electrode side similarly to the polymer electrolyte fuel cell, so there is room for improvement from the viewpoint of economy.

上述した固体高分子形燃料電池やリン酸形燃料電池の空気極側では、電解質膜からのプロトンと導線からの電子が酸素と反応して、酸素還元反応が生じる。しかしながら、この酸素還元反応の効率は非常に低い。そこで、このような反応を十分に進行させることを目的として、Pt触媒が用いられている(例えば、特許文献1)。酸素還元反応の電極触媒材料にPtが適している理由の一つとしては、その電子構造が好適であること、より具体的には、Pt上への酸素の吸着の強さと脱着の強さが他の金属に比べ好適であることが挙げられる(例えば、非特許文献1〜3)。   On the air electrode side of the polymer electrolyte fuel cell and the phosphoric acid fuel cell described above, protons from the electrolyte membrane and electrons from the conducting wire react with oxygen to cause an oxygen reduction reaction. However, the efficiency of this oxygen reduction reaction is very low. Therefore, a Pt catalyst has been used for the purpose of sufficiently promoting such a reaction (for example, Patent Document 1). One of the reasons why Pt is suitable for the electrode catalyst material of the oxygen reduction reaction is that its electronic structure is suitable, and more specifically, the strength of adsorption and desorption of oxygen on Pt is high. It is preferable to other metals (for example, Non-Patent Documents 1 to 3).

また、酸素還元反応の電極触媒材料としてPtが適しているもう一つの理由として、Ptが、燃料電池を構成する電解質膜中の酸に対して耐久性を有することが挙げられる。   Another reason that Pt is suitable as an electrode catalyst material for an oxygen reduction reaction is that Pt has durability against an acid in an electrolyte membrane constituting a fuel cell.

上述のような燃料電池の電極触媒におけるPtの代替材料として、パイロクロア型酸化物が報告されている(例えば、特許文献2)。しかしながら、このようなパイロクロア型酸化物は、耐酸性能や耐久性の低さの観点から電極触媒として使用するのに十分ではない。   Pyrochlore-type oxides have been reported as a substitute for Pt in the above-described fuel cell electrode catalysts (for example, Patent Document 2). However, such pyrochlore type oxides are not sufficient to be used as electrode catalysts from the viewpoint of low acid resistance and low durability.

このように、固体高分子形燃料電池やリン酸形燃料電池等に代表される燃料電池の電極触媒について、Pt以外のものとして、十分な触媒活性を示し、且つ酸に対し耐久性を有する電極触媒材料の開発が望まれていた。   As described above, the electrode catalyst of a fuel cell represented by a polymer electrolyte fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, or the like, which has sufficient catalytic activity as a material other than Pt and has durability against acid The development of a catalyst material was desired.

特開平5−36418号公報JP-A-5-36418 特許5684971号公報Japanese Patent No. 5684971

V.Stamenkovic,B.S.Mun,K.J.J.Mayrhofer,P.N.Ross,N.M.Markovic,J.Rossmeisl,J.Greeley,and J.K.Nφrskov,Angew.Chem.Int.Ed.2006,45,2897−2901.V. Stamenkovic, B .; S. Mun, K .; J. J. Mayrhofer, P .; N. Ross, N.M. M. Markovic, J .; Rossmeisl, J .; Greenley, and J.M. K. Nφrskov, Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 2897-2901. J.Zhang,M.B.Vukmirovic,Y.Xu,M.Mavrikakis,and R.R.Adzic,Angew.Chem.Int.Ed.2005,44,2132−2135.J. Zhang, M .; B. Vukmilovic, Y .; Xu, M .; Mavrikakis, and R.M. R. Adzic, Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 2132-2135. F.H.B.Lima,J.Zhang,M.H.Shao,K.Sasaki,M.B.Vukmirovic,E.A.Ticianelli,and R.R.Adzic,J.Phys.Chem.C 2007,111,404−410.F. H. B. Lima, J .; Zhang, M .; H. Shao, K .; Sasaki, M .; B. Vukmilovic, E .; A. Ticianelli, and R.S. R. Adzic, J .; Phys. Chem. C 2007, 111, 404-410.

本発明はかかる問題点に鑑み、固体高分子形燃料電池やリン酸形燃料電池等のプロトンが電解質膜を透過する形の燃料電池において、空気極側の電極触媒材料として酸素還元能が高く十分な触媒活性を示し、酸に対して優れた耐久性を有する、貴金属以外の電極触媒材料及びその電極触媒材料の製造方法を提供するものである。   In view of the above problems, the present invention has a high oxygen reduction ability as an air electrode side electrode catalyst material in a fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell or a phosphoric acid fuel cell in which protons pass through an electrolyte membrane. Another object of the present invention is to provide an electrode catalyst material other than a noble metal, which exhibits excellent catalytic activity and has excellent durability against an acid, and a method for producing the electrode catalyst material.

本発明者らは、上述した課題を解決するために鋭意検討を重ねた。その結果、コバルト(Co)及びニッケル(Ni)からなる群から選択される1以上の遷移金属のホウ化物又は炭化物の電子構造が、酸素を脱着しやすいPtの電子構造と近似しており、電極触媒として十分な触媒活性を示し、しかも酸に優れた耐久性を示すことを見出し、本発明を完成するに至った。具体的に、本発明は、以下のものを提供する。   The present inventors have intensively studied to solve the above-mentioned problem. As a result, the electronic structure of the boride or carbide of one or more transition metals selected from the group consisting of cobalt (Co) and nickel (Ni) is similar to the electronic structure of Pt, which easily desorbs oxygen, and The present inventors have found that the catalyst exhibits sufficient catalytic activity as a catalyst and has excellent durability against an acid, thereby completing the present invention. Specifically, the present invention provides the following.

(1)本発明は、プロトンが電解質膜を透過する形の燃料電池に用いられる電極触媒であって、担体に担持された触媒粒子を含み、前記触媒粒子は、コバルト(Co)又はニッケル(Ni)からなる群から選択される1以上の遷移金属のホウ化物又は炭化物を含む電極触媒である。   (1) The present invention is an electrode catalyst used for a fuel cell in which protons permeate an electrolyte membrane, and includes catalyst particles supported on a carrier, wherein the catalyst particles include cobalt (Co) or nickel (Ni). A) a boride or carbide of one or more transition metals selected from the group consisting of:

(2)また、本発明は、前記触媒粒子の粒径が50nm以下である(1)に記載の電極触媒である。   (2) The present invention is the electrode catalyst according to (1), wherein the particle size of the catalyst particles is 50 nm or less.

(3)また、本発明は、pHが1.01の過塩素酸水溶液中において、回転電極を用い、リニアスイープボルタンメトリーにより測定される、酸素還元反応の反応開始電位が0.4V以上である(1)又は(2)に記載の電極触媒である。
(3) Further, according to the present invention, in a perchloric acid aqueous solution having a pH of 1.01 , a reaction start potential of an oxygen reduction reaction measured by linear sweep voltammetry using a rotating electrode is 0.4 V or more ( An electrode catalyst according to 1) or (2).

(4)また、本発明は、(1)乃至(3)のいずれかに記載の電極触媒を含むプロトンが電解質膜を透過する形の燃料電池である。   (4) Further, the present invention is a fuel cell in which protons containing the electrode catalyst according to any one of (1) to (3) permeate an electrolyte membrane.

(5)また、本発明は、プロトンが電解質膜を透過する形の燃料電池に用いられる電極触媒の製造方法であって、コバルト(Co)又はニッケル(Ni)からなる群から選択される1以上の遷移金属を含む脂肪族アミン溶液中に、担体を分散させ、前駆液を調製する前駆液調製工程と、前記前駆液を、酸素を含むガス雰囲気下で加熱する加熱工程とを有する電極触媒の製造方法である。   (5) The present invention also relates to a method for producing an electrode catalyst used for a fuel cell in which protons permeate an electrolyte membrane, wherein at least one selected from the group consisting of cobalt (Co) and nickel (Ni). In an aliphatic amine solution containing a transition metal, a carrier is dispersed, a precursor solution preparing step of preparing a precursor solution, and a heating step of heating the precursor solution under a gas atmosphere containing oxygen. It is a manufacturing method.

(6)また、本発明は、前記担体は炭素粒子を含み、該担体に含まれる炭素原子の質量に対する、前記前駆液に含まれる前記遷移金属の質量比が0.1以上2以下である(5)に記載の電極触媒の製造方法である。   (6) In the present invention, the carrier includes carbon particles, and a mass ratio of the transition metal contained in the precursor liquid to a mass of carbon atoms contained in the carrier is 0.1 or more and 2 or less ( 5) A method for producing an electrode catalyst according to 5).

(7)また、本発明は、脂肪族アミン溶液に含まれる前記金属の濃度が、5mmol/L以上50mmol/L以下である(5)又は(6)に記載の電極触媒の製造方法である。   (7) The present invention is the method for producing an electrode catalyst according to (5) or (6), wherein the concentration of the metal contained in the aliphatic amine solution is from 5 mmol / L to 50 mmol / L.

(8)また、本発明は、前記加熱工程における加熱温度は、250℃以上350℃以下である(5)乃至(7)のいずれかに記載の電極触媒の製造方法である。   (8) The present invention is the method for producing an electrode catalyst according to any one of (5) to (7), wherein the heating temperature in the heating step is from 250 ° C. to 350 ° C.

(9)また、本発明は、前記加熱工程における加熱時間は、2時間超である(5)乃至(8)のいずれかに記載の電極触媒の製造方法である。   (9) The present invention is the method for producing an electrode catalyst according to any one of (5) to (8), wherein the heating time in the heating step is more than 2 hours.

本発明に係る電極触媒によれば、高い触媒活性を示し、また酸に対して優れた耐久性を有し、プロトンが電解質膜を透過する形の燃料電池等の電極触媒として好適に用いることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the electrode catalyst which concerns on this invention, it shows high catalyst activity, it also has the outstanding durability with respect to an acid, and can be suitably used as an electrode catalyst of a fuel cell etc. of the form in which protons permeate an electrolyte membrane. it can.

プロトンが電解質膜を透過する形の燃料電池の構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a fuel cell in which protons pass through an electrolyte membrane. 電極触媒の製造方法を説明するためのフロー図である。FIG. 4 is a flowchart for explaining a method for producing an electrode catalyst. 実施例において、加熱温度320℃、加熱時間24時間の条件で得られたCoC電極触媒のTEM写真図である。FIG. 4 is a TEM photograph of a Co 2 C electrode catalyst obtained under the conditions of a heating temperature of 320 ° C. and a heating time of 24 hours in Examples. 実施例において、加熱温度290℃で得られた粉末のXRDパターンを示す図である。In an Example, it is a figure which shows the XRD pattern of the powder obtained at the heating temperature of 290 degreeC. 実施例において、加熱温度320℃で得られた粉末のXRDパターンを示す図である。FIG. 4 is a view showing an XRD pattern of a powder obtained at a heating temperature of 320 ° C. in an example. 実施例において得られたCoC電極触媒の酸素還元性能評価の結果を示す図である。It is a figure showing the result of oxygen reduction performance evaluation of the Co 2 C electrode catalyst obtained in the example. 実施例において、2000回の繰り返し評価試験における、CoC電極触媒の酸素還元性能の耐久性評価の結果を示す図である。In Example illustrates the repeated evaluation test of 2000 times, the results of durability evaluation of the oxygen reduction performance of Co 2 C electrocatalyst.

以下、本発明の具体的な実施形態(以下、「本実施の形態」という。)について、詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に何ら制限されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。   Hereinafter, a specific embodiment of the present invention (hereinafter, referred to as “the present embodiment”) will be described in detail. Note that the present invention is not limited to the following embodiments at all, and can be implemented with appropriate modifications within the scope of the present invention.

≪1.電極触媒≫
本実施の形態に係る電極触媒は、例えば、固体高分子形燃料電池やリン酸形燃料電池のような、プロトンが電解質膜を透過する形の燃料電池に用いられる電極触媒である。具体的に、この電極触媒は、担体に担持されたコバルト(Co)及びニッケル(Ni)からなる群から選択される1以上の遷移金属のホウ化物又は炭化物の粒子を含む。本実施の形態に係る電極触媒においては、上述した粒子が、炭素粒子等を担体として、その表面上に分散している。
≪1. Electrode catalyst≫
The electrode catalyst according to the present embodiment is an electrode catalyst used for a fuel cell in which protons pass through an electrolyte membrane, such as a polymer electrolyte fuel cell and a phosphoric acid fuel cell. Specifically, the electrocatalyst includes boride or carbide particles of one or more transition metals selected from the group consisting of cobalt (Co) and nickel (Ni) supported on a carrier. In the electrode catalyst according to the present embodiment, the above-described particles are dispersed on the surface using carbon particles or the like as a carrier.

[触媒粒子]
触媒粒子としては、上述したように、コバルト(Co)及びニッケル(Ni)からなる群から選択される1以上の金属のホウ化物又は炭化物である。以下では、電極触媒を構成する、コバルト(Co)及びニッケル(Ni)からなる群から選択される1以上の遷移金属のホウ化物又は炭化物の粒子を「触媒粒子」と称する。
[Catalyst particles]
As described above, the catalyst particles are borides or carbides of one or more metals selected from the group consisting of cobalt (Co) and nickel (Ni). Hereinafter, particles of one or more transition metal borides or carbides selected from the group consisting of cobalt (Co) and nickel (Ni) constituting the electrode catalyst are referred to as “catalyst particles”.

また、触媒粒子としては、粒子中に含まれる金属の主成分が上述の金属であればよく、他の元素がドープされていてもよい。   Further, as the catalyst particles, the main component of the metal contained in the particles may be the above-mentioned metal, and other elements may be doped.

触媒粒子の粒径としては、特に制限されないが、100nm以下であることが好ましく、50nm以下であることがより好ましく、20nm以下であることがさらに好ましく、10nm以下であることが特に好ましい。このような範囲の粒径を有する触媒粒子では、比表面積が大きいため、より高い触媒活性を示すことができる。   The particle size of the catalyst particles is not particularly limited, but is preferably 100 nm or less, more preferably 50 nm or less, further preferably 20 nm or less, and particularly preferably 10 nm or less. Since the catalyst particles having a particle size in such a range have a large specific surface area, higher catalyst activity can be exhibited.

なお、粒子の平均粒径はTEM観察によって測定することができる。具体的に、粒子の平均粒径は、例えば、TEM写真から無作為に選択した粒子100個の粒径を測定し、それらの粒径の平均値より求めることができる。   The average particle size of the particles can be measured by TEM observation. Specifically, the average particle diameter of the particles can be determined, for example, by measuring the particle diameters of 100 particles randomly selected from a TEM photograph and calculating the average value of the particle diameters.

[担体]
担体は、触媒活性を示す触媒粒子をその表面上に分散させ担持するものである。
[Carrier]
The carrier is such that catalyst particles exhibiting catalytic activity are dispersed and supported on the surface thereof.

担体としては、触媒粒子を担持できるものであれば特に制限されないが、導電性を有し、プロトンが電解質膜を透過する形の燃料電池に用いられる電極触媒を担持する担体としてプロトン伝導性を有するものが好ましい。   The carrier is not particularly limited as long as it can support the catalyst particles, but has conductivity, and has proton conductivity as a carrier for supporting an electrode catalyst used in a fuel cell in which protons pass through an electrolyte membrane. Are preferred.

その中でも、炭素粒子を用いることがより好ましい。炭素粒子は、導電性を有し、また適度なプロトン伝導性を有する。また、炭素粒子は、多孔質性を有するため、比表面積を大きくすることができ、その炭素粒子の表面に触媒粒子を多量に且つ均一に分散させることができ、触媒活性を向上させて、それを用いた燃料電池の電気的特性を高めることができる。   Among them, it is more preferable to use carbon particles. The carbon particles have conductivity and moderate proton conductivity. Further, since the carbon particles have porosity, the specific surface area can be increased, the catalyst particles can be dispersed in a large amount and uniformly on the surface of the carbon particles, and the catalyst activity can be improved. The electrical characteristics of a fuel cell using the same can be improved.

具体的に、炭素粒子としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、バルカン、ブラックパール、黒鉛化アセチレンブラック、黒鉛化バルカン、黒鉛化ケッチェンブラック、黒鉛化ブラックパール、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、カーボンナノフィブリル等が挙げられる。   Specifically, as the carbon particles, for example, acetylene black, ketjen black, vulcan, black pearl, graphitized acetylene black, graphitized vulcan, graphitized Ketjen black, graphitized black pearl, carbon nanotube, carbon nanofiber, Carbon nanohorn, carbon nanofibril and the like can be mentioned.

なお、担体としては、上述したように、プロトン伝導性を有するものが好ましいが、プロトン伝導性を有する媒体を保持したものであってもよい。   As described above, the carrier is preferably one having proton conductivity, but may be a carrier holding a medium having proton conductivity.

炭素粒子等の担体のBET比表面積としては、特に制限されないが、50m/g以上であることが好ましく、100m/g以上であることがより好ましく、200m/g以上であることがさらに好ましい。このようなBET比表面積を有する担体を用いることにより、その担体の表面に触媒粒子を多量に且つより均一に分散させることができる。 The BET specific surface area of the support such as carbon particles is not particularly limited, but is preferably 50 m 2 / g or more, more preferably 100 m 2 / g or more, and further preferably 200 m 2 / g or more. preferable. By using a carrier having such a BET specific surface area, the catalyst particles can be dispersed in a large amount and more uniformly on the surface of the carrier.

[担体に担持された触媒粒子]
本実施の形態に係る電極触媒は、上述したように、触媒粒子が炭素粒子等の担体に担持されて構成される。この電極触媒における、担体と触媒粒子との比率については、特に制限されないが、例えば、担体:触媒粒子=50:50〜30:70程度であることが好ましい。
[Catalyst particles supported on a carrier]
As described above, the electrode catalyst according to the present embodiment is configured by supporting catalyst particles on a carrier such as carbon particles. The ratio between the carrier and the catalyst particles in this electrode catalyst is not particularly limited, but is preferably, for example, about carrier: catalyst particles = 50: 50 to 30:70.

本実施の形態に係る電極触媒は、固体高分子形燃料電池等のプロトンが電解質膜を透過する形の燃料電池に用いられる電極触媒、特に空気極側の電極触媒として、良好な活性を示し、燃料電池の空気極側における、プロトンと、導線からの電子と、供給された酸素との酸素還元反応の反応効率を高めることができる。   The electrode catalyst according to the present embodiment exhibits good activity as an electrode catalyst used in a fuel cell in which protons such as a polymer electrolyte fuel cell permeate an electrolyte membrane, particularly as an electrode catalyst on the air electrode side, On the air electrode side of the fuel cell, the reaction efficiency of the oxygen reduction reaction between the protons, the electrons from the conducting wire, and the supplied oxygen can be increased.

具体的に、触媒粒子の酸素還元反応における反応開始電位は、特に制限されるものではないが、pHが1.01の過塩素酸水溶液中において、回転電極を用い、リニアスイープボルタンメトリー(LSV)により測定される、酸素還元反応の反応開始電位が0.4V以上であり、好ましくは0.5V以上であり、より好ましくは0.6V以上という高い電位を示す。
Specifically, initiation of the reaction potential in the oxygen reduction reaction of catalyst particles is not particularly limited, in the over-chlorate in an aqueous solution having a pH of 1.01, using a rotating electrode, the linear sweep voltammetry (LSV) The reaction initiation potential of the measured oxygen reduction reaction is 0.4 V or higher, preferably 0.5 V or higher, and more preferably 0.6 V or higher.

ここで、従来、電極触媒として用いられていたPtの反応開始電位は0.91V程度であり、そのPtの触媒活性と比較すると、上述した触媒粒子の活性はやや劣るものの、電極触媒として、上述した担体に担持された触媒粒子を用いた燃料電池においてセル数を増やすことによって、Ptを電極触媒として用いた燃料電池と同等以上の性能を発揮する燃料電池とすることができる。   Here, the reaction starting potential of Pt, which has been conventionally used as an electrode catalyst, is about 0.91 V. Compared with the catalytic activity of Pt, the activity of the above-described catalyst particles is slightly inferior. By increasing the number of cells in the fuel cell using the catalyst particles supported on the carrier, it is possible to obtain a fuel cell exhibiting performance equal to or higher than that of a fuel cell using Pt as an electrode catalyst.

また、上述した触媒粒子は、酸に対して優れた耐久性を有する。したがって、固体高分子形燃料電池等のプロトンが電解質膜を透過する形の燃料電池に用いられる電極触媒として好適に用いることができ、高い触媒活性を長時間に亘って維持することができる。   Further, the above-described catalyst particles have excellent durability against acids. Therefore, it can be suitably used as an electrode catalyst used in a fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell in which protons pass through the electrolyte membrane, and high catalytic activity can be maintained for a long time.

≪2.燃料電池≫
本実施の形態に係る燃料電池は、プロトンが電解質膜を透過する形の燃料電池であり、電極触媒として、担体に担持された触媒粒子を含むことを特徴としている。そして、その触媒粒子は、上述したように、コバルト(Co)及びニッケル(Ni)からなる群から選択される1以上の金属のホウ化物又は炭化物の粒子である。
{2. Fuel cell≫
The fuel cell according to the present embodiment is a fuel cell in which protons permeate the electrolyte membrane, and is characterized in that it includes catalyst particles supported on a carrier as an electrode catalyst. And, as described above, the catalyst particles are particles of boride or carbide of one or more metals selected from the group consisting of cobalt (Co) and nickel (Ni).

図1は、燃料電池の概略構成の一例を示す模式図である。燃料電池1は、上述したように、プロトンが電解質膜を透過する形の燃料電池であり、例えば、固体高分子形の燃料電池(PEFC)、リン酸形の燃料電池(PAFC)である。なお、以下では、燃料電池1を固体高分子形の燃料電池として説明する。   FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a schematic configuration of a fuel cell. As described above, the fuel cell 1 is a fuel cell in which protons permeate the electrolyte membrane, such as a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) and a phosphoric acid fuel cell (PAFC). In the following, the fuel cell 1 will be described as a polymer electrolyte fuel cell.

図1に示すように、燃料電池1は、燃料極11と、電解質膜12と、空気極13と、セパレーター14a,14bとを備える。この燃料電池1において、燃料極11と、空気極13のそれぞれには、ガス拡散層15a,15bと、触媒層16a,16bとが備えられている。そして、この燃料電池1においては、少なくとも空気極13を構成する触媒層16bに、担体に担持された触媒粒子を電極触媒として含む。なお、触媒粒子を含む電極触媒は、燃料極11を構成する触媒層16aに含まれていてもよい。   As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 includes a fuel electrode 11, an electrolyte membrane 12, an air electrode 13, and separators 14a and 14b. In this fuel cell 1, each of the fuel electrode 11 and the air electrode 13 is provided with a gas diffusion layer 15a, 15b and a catalyst layer 16a, 16b. Then, in the fuel cell 1, at least the catalyst layer 16b constituting the air electrode 13 contains catalyst particles supported on a carrier as an electrode catalyst. Note that the electrode catalyst including the catalyst particles may be included in the catalyst layer 16a constituting the fuel electrode 11.

(1)燃料極
燃料極11は、燃料ガスとしての水素が供給され、その水素が酸化されてプロトンと電子(e)とを生成する水素の酸化反応(下記式(i))が生じる側の極である。
(1) Fuel Electrode The fuel electrode 11 is supplied with hydrogen as a fuel gas, and the hydrogen is oxidized to generate a proton and an electron (e ), an oxidation reaction of hydrogen (formula (i) below) occurs. Is the pole of

燃料極11においては、水素を含む燃料ガスの流路が形成され、流路に導入された燃料ガスを均一に拡散させるガス拡散層15aと、燃料ガスに含まれる水素の酸化反応を促進させるための触媒層16aとが備えられている。具体的に、燃料極11に導入された水素を含む燃料ガスは、後述するセパレーター14aにより区画された流路を通過し、ガス拡散層15aにて均一に拡散され、触媒層16aに送られる。そして、触媒層16aでは、上述したように、燃料ガスに含まれる水素の酸化反応が生じる。
→ 2H+2e ・・・ (i)
In the fuel electrode 11, a flow path of a fuel gas containing hydrogen is formed, and a gas diffusion layer 15a for evenly diffusing the fuel gas introduced into the flow path and a gas diffusion layer 15a for promoting an oxidation reaction of hydrogen contained in the fuel gas. And a catalyst layer 16a. Specifically, the fuel gas containing hydrogen introduced into the fuel electrode 11 passes through a flow path defined by a separator 14a described later, is uniformly diffused in the gas diffusion layer 15a, and is sent to the catalyst layer 16a. Then, in the catalyst layer 16a, as described above, an oxidation reaction of hydrogen contained in the fuel gas occurs.
H 2 → 2H + + 2e - ··· (i)

燃料極11では、上述した水素の酸化反応によって生じたプロトンが、電解質膜12と通って空気極13側に移動する。一方、酸化反応により生じた電子は、燃料極11と空気極13との間に接続された導体(導線)を介して、空気極13側に移動する。   At the fuel electrode 11, protons generated by the above-described oxidation reaction of hydrogen move to the air electrode 13 side through the electrolyte membrane 12. On the other hand, electrons generated by the oxidation reaction move toward the air electrode 13 via a conductor (conductive wire) connected between the fuel electrode 11 and the air electrode 13.

(2)電解質膜
電解質膜12は、燃料極11と空気極13との間に設けられる。燃料極11において生成されたプロトンは、この電解質膜12を通過して空気極13側に移動し、空気極13を構成する触媒層16bに達する。
(2) Electrolyte membrane The electrolyte membrane 12 is provided between the fuel electrode 11 and the air electrode 13. Protons generated in the fuel electrode 11 pass through the electrolyte membrane 12 and move toward the air electrode 13, and reach the catalyst layer 16 b constituting the air electrode 13.

電解質膜12としては、プロトンを透過させるものであれば特に制限されるものではなく、PEFCとしては例えば陽イオン交換膜等を用いることができる。なお、PAFCである場合には、電解質膜としてリン酸等からなる膜を用いることができる。   The electrolyte membrane 12 is not particularly limited as long as it allows protons to pass therethrough. As the PEFC, for example, a cation exchange membrane or the like can be used. In the case of PAFC, a membrane made of phosphoric acid or the like can be used as the electrolyte membrane.

また、電解質膜12としては、プロトンを透過する性質を有することに起因して、強酸性のものを使用することが好ましい。なお、同様の理由から、この電解質膜12を通ってプロトンが到達する空気極13を構成する触媒層16bは、酸に対して耐久性を有し、腐蝕等を起こし得ないものであることが好ましい。   Further, it is preferable to use a strongly acidic electrolyte membrane 12 because of having a property of transmitting protons. For the same reason, the catalyst layer 16b constituting the air electrode 13 to which protons reach through the electrolyte membrane 12 may be durable to acids and may not cause corrosion or the like. preferable.

(3)空気極
空気極13は、空気が供給され、その空気中の酸素が、燃料極11から電解質膜12を透過して移動してきたプロトンと、導体を通じて移動した電子とにより、水を生成する酸素の還元反応(下記式(ii))が生じる側の極である。
(3) Air electrode The air electrode 13 is supplied with air, and oxygen in the air generates water by protons that have moved from the fuel electrode 11 through the electrolyte membrane 12 and electrons that have moved through the conductor. On the side where the oxygen reduction reaction (formula (ii) below) occurs.

空気極13においては、空気が形成され、流路に導入された空気を均一に拡散させるガス拡散層15bと、空気中の酸素の還元反応を促進させるための触媒層16bとが備えられている。具体的に、空気極13に導入された空気は、後述するセパレーター14bにより区画された流路を通過し、ガス拡散層15bにて均一に拡散される、触媒層16bに送られる。そして、触媒層16bでは、上述したように、空気中の酸素とプロトンと電子とによる還元反応が生じる。このようにして電子が燃料極11から空気極13へ流れることにより、発電がなされる。
2H+1/2O+2e → HO ・・・ (ii)
The air electrode 13 includes a gas diffusion layer 15b in which air is formed and uniformly diffuses the air introduced into the flow path, and a catalyst layer 16b for promoting a reduction reaction of oxygen in the air. . Specifically, the air introduced into the air electrode 13 passes through a flow path defined by a separator 14b described later, and is sent to the catalyst layer 16b, which is uniformly diffused by the gas diffusion layer 15b. Then, in the catalyst layer 16b, as described above, a reduction reaction occurs by oxygen, protons, and electrons in the air. As described above, the electrons flow from the fuel electrode 11 to the air electrode 13 to generate power.
2H + + 1 / 2O 2 + 2e → H 2 O (ii)

本実施の形態に係る燃料電池1においては、少なくとも、この空気極13を構成する触媒層16bに、担体に担持された触媒粒子を電極触媒として含むことを特徴としている。この触媒粒子からなる電極触媒は、この空気極13側における、プロトンと、導線からの電子と、供給された空気中の酸素との還元反応の反応効率を効果的に高めることができる。   The fuel cell 1 according to the present embodiment is characterized in that at least the catalyst layer 16b constituting the air electrode 13 includes catalyst particles supported on a carrier as an electrode catalyst. The electrode catalyst made of the catalyst particles can effectively increase the reaction efficiency of the reduction reaction between the protons, the electrons from the conducting wire, and the oxygen in the supplied air on the air electrode 13 side.

(4)セパレーター
セパレーター14a,14bは、燃料極11及び空気極12の周囲に設けられ、燃料ガス(還元剤)と空気(酸化剤)とを区画すると共に、ガスの流路を形成する。燃料極11側のセパレーター14aには、燃料ガスを燃料極11に導入するための流路が、ガス拡散層15a側の面に形成されている。一方で、空気極13側のセパレーター14bには、空気極13に導入するための流路が、ガス拡散層15b側の面に形成されている。
(4) Separator The separators 14a and 14b are provided around the fuel electrode 11 and the air electrode 12, and partition a fuel gas (reducing agent) and air (oxidizing agent) and form a gas flow path. In the separator 14a on the fuel electrode 11 side, a flow path for introducing a fuel gas into the fuel electrode 11 is formed on the surface on the gas diffusion layer 15a side. On the other hand, in the separator 14b on the air electrode 13 side, a flow path for introducing the air to the air electrode 13 is formed on the surface on the gas diffusion layer 15b side.

≪3.電極触媒の製造方法≫
本実施の形態に係る電極触媒は、上述したように、プロトンが電解質膜を透過する形の燃料電池に用いられ、炭素粒子等の担体に担持された触媒粒子を含む電極触媒である。そして、この電極触媒は、例えば、電極触媒を製造するための前駆液を調製する前駆液調製工程と、前駆液を特定のガス雰囲気下で加熱する加熱工程とを経ることによって製造することができる。
{3. Manufacturing method of electrode catalyst≫
As described above, the electrode catalyst according to the present embodiment is used for a fuel cell in which protons pass through the electrolyte membrane, and includes catalyst particles supported on a carrier such as carbon particles. The electrode catalyst can be produced, for example, by passing through a precursor solution preparation step of preparing a precursor solution for producing the electrode catalyst and a heating step of heating the precursor solution under a specific gas atmosphere. .

なお、以下では、触媒粒子として炭化コバルト粒子(CoC)を、担体である炭素粒子に担持させた電極触媒の製造方法を一例として説明する。 Hereinafter, a method for producing an electrode catalyst in which cobalt carbide particles (Co 2 C) as catalyst particles are supported on carbon particles as carriers will be described as an example.

(1)前駆液調製工程
前駆液調製工程は、コバルトを含む脂肪族アミン溶液中に、担体としての炭素粒子を分散させ、前駆液を調製する工程である。
(1) Precursor Solution Preparation Step The precursor solution preparation step is a step of preparing a precursor solution by dispersing carbon particles as a carrier in an aliphatic amine solution containing cobalt.

コバルトを含む脂肪族アミン溶液について、脂肪族アミンとしては、比較的高い沸点と還元性能を有するものであれば特に制限されるものでない。   Regarding the aliphatic amine solution containing cobalt, the aliphatic amine is not particularly limited as long as it has a relatively high boiling point and a reducing performance.

具体的に、脂肪族アミンの炭素数としては、特に制限されないが、好ましくは13以上であり、より好ましくは14以上であり、さらに好ましくは15以上であるものを用いることができる。脂肪族アミンの炭素数が13未満であると、溶媒の沸点が低くなり、高温において加熱できなくなって生成効率が低下する可能性がある。   Specifically, the carbon number of the aliphatic amine is not particularly limited, but preferably 13 or more, more preferably 14 or more, and still more preferably 15 or more. When the number of carbon atoms of the aliphatic amine is less than 13, the boiling point of the solvent becomes low, so that heating cannot be performed at a high temperature, which may lower the production efficiency.

また、脂肪族アミンの炭素鎖としては、飽和結合のみを有するものであっても、不飽和結合を有するものであってもよい。また、その炭素鎖は、直鎖であっても分岐鎖であってもよく、また脂環式であってもよい。   Moreover, the carbon chain of the aliphatic amine may have only a saturated bond or may have an unsaturated bond. Further, the carbon chain may be linear or branched, or may be alicyclic.

このような脂肪族アミンの中でも、高い沸点(348℃〜350℃)と適度な還元性を有するという観点から、オレイルアミンを用いることが好ましい。   Among such aliphatic amines, it is preferable to use oleylamine from the viewpoint of having a high boiling point (348 ° C. to 350 ° C.) and an appropriate reducing property.

コバルト源としては、特に制限されないが、コバルト塩やコバルト錯体等を用いることができる。コバルト塩としては、塩化コバルト、臭化コバルト、ヨウ化コバルト、酢酸コバルト、硝酸コバルト、硫酸コバルト等を使用することができる。   The cobalt source is not particularly limited, but a cobalt salt, a cobalt complex or the like can be used. As the cobalt salt, cobalt chloride, cobalt bromide, cobalt iodide, cobalt acetate, cobalt nitrate, cobalt sulfate and the like can be used.

また、コバルト錯体としては、その配位子が、例えば、脂肪族カルボン酸、芳香族カルボン酸、アミン、アミノポリカルボン酸、アミノ酸、β−ジケトン等のものを使用することができる。その中でも、コバルト錯体としては、小粒径のCoC粒子が効果的に得られる観点から、コバルトアセチルアセトネートであることが好ましい。 Further, as the cobalt complex, those whose ligands are, for example, aliphatic carboxylic acids, aromatic carboxylic acids, amines, aminopolycarboxylic acids, amino acids, β-diketones and the like can be used. Among them, the cobalt complex is preferably cobalt acetylacetonate from the viewpoint that small-sized Co 2 C particles can be effectively obtained.

また、脂肪族アミン溶液中のコバルトの濃度としては、特に制限されないが、コバルト原子を基準として、5mmol/L以上であることが好ましく、6mmol/L以上であることがより好ましく、7mmol/L以上であることがさらに好ましい。コバルトの濃度が5mmol/L未満であると、CoC粒子の収率が低下するおそれがある。一方で、コバルトの濃度の上限値としては、特に制限されないが、50mmol/L以下であることが好ましく、40mmol/L以下であることがより好ましく、20mmol/L以下であることがさらに好ましい。50mmol/Lを超えると、均一な前駆液が得られなくなるおそれがある。 The concentration of cobalt in the aliphatic amine solution is not particularly limited, but is preferably 5 mmol / L or more, more preferably 6 mmol / L or more, and more preferably 7 mmol / L or more based on the cobalt atom. Is more preferable. If the concentration of cobalt is less than 5 mmol / L, the yield of Co 2 C particles may decrease. On the other hand, the upper limit of the cobalt concentration is not particularly limited, but is preferably 50 mmol / L or less, more preferably 40 mmol / L or less, and further preferably 20 mmol / L or less. If it exceeds 50 mmol / L, a uniform precursor solution may not be obtained.

前駆液中において、炭素粒子に含まれる炭素原子の質量に対する、コバルト原子の質量比としては、特に制限されるものではないが、0.1以上であることが好ましく、0.25以上であることがより好ましく、0.4以上であることがさらに好ましい。質量比が0.1未満であると、十分な触媒活性が得られなくなるおそれがある。一方で、質量比の上限値としては、2.0以下であることが好ましく、1.0以下であることがより好ましく、0.6以下であることがさらに好ましい。質量比が2.0を超えると、得られる粒子が凝集するおそれがある。   In the precursor solution, the mass ratio of the cobalt atom to the mass of the carbon atom contained in the carbon particles is not particularly limited, but is preferably 0.1 or more, and more preferably 0.25 or more. Is more preferable, and 0.4 or more is more preferable. If the mass ratio is less than 0.1, sufficient catalytic activity may not be obtained. On the other hand, the upper limit of the mass ratio is preferably 2.0 or less, more preferably 1.0 or less, and even more preferably 0.6 or less. If the mass ratio exceeds 2.0, the obtained particles may be aggregated.

なお、炭素粒子としては、上述したように、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、バルカン、ブラックパール、黒鉛化アセチレンブラック、黒鉛化バルカン、黒鉛化ケッチェンブラック、黒鉛化ブラックパール、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、カーボンナノフィブリル等を用いることができる。   As described above, as the carbon particles, for example, acetylene black, ketjen black, vulcan, black pearl, graphitized acetylene black, graphitized vulcan, graphitized ketjen black, graphitized black pearl, carbon nanotube, carbon nanotube Nanofibers, carbon nanohorns, carbon nanofibrils, and the like can be used.

溶液中に炭素粒子を分散させる方法としては、特に制限されるものではなく、一般的な撹拌又は分散の手法を用いることができる。具体的には、撹拌機又は振とう機による撹拌や、超音波洗浄機、超音波分散機等を用いた分散の手法により行うことができる。   The method for dispersing the carbon particles in the solution is not particularly limited, and a general stirring or dispersion technique can be used. Specifically, it can be performed by a stirring method using a stirrer or a shaker, or a dispersion method using an ultrasonic cleaner, an ultrasonic disperser or the like.

なお、前駆液調製における雰囲気としては、特に制限されず、大気下、酸素雰囲気下、窒素やアルゴンに例示される不活性ガス雰囲気下で行うことができる。   The atmosphere for preparing the precursor solution is not particularly limited, and the preparation can be performed in the air, under an oxygen atmosphere, or under an inert gas atmosphere exemplified by nitrogen or argon.

(2)加熱工程
加熱工程は、前駆液調製工程において調製した前駆液を、酸素を含むガス雰囲気下で加熱する工程である。この加熱工程により、CoC粒子を炭素粒子の表面に均一に析出させることができる。
(2) Heating Step The heating step is a step of heating the precursor liquid prepared in the precursor liquid preparation step in a gas atmosphere containing oxygen. By this heating step, Co 2 C particles can be uniformly deposited on the surface of the carbon particles.

この加熱工程では、前駆液に対する加熱により、先ず、酸化コバルト(CoO)が生成し、さらに加熱を続けることでCoOがCoCに変化する。つまり、加熱工程における加熱反応では、CoOがいわゆる前駆物質として生成し、その前駆物質を経由してCoCの結晶構造となる。 In this heating step, first, cobalt oxide (CoO) is generated by heating the precursor solution, and CoO is changed to Co 2 C by continuing heating. That is, in the heating reaction in the heating step, CoO is generated as a so-called precursor, and the crystal becomes Co 2 C via the precursor.

加熱におけるガス雰囲気としては、酸素を含むガス雰囲気下で加熱する。具体的に、ガス雰囲気として、酸素と各種の不活性ガス等との混合ガスや、空気等が挙げられる。その中でも、工業的な経済性観点から、空気雰囲気であることが好ましい。一方、酸素を含まない雰囲気下で加熱した場合、前駆物質のCoOが生成せず、その結果、CoCも生成しない。 As a gas atmosphere for heating, heating is performed in a gas atmosphere containing oxygen. Specifically, examples of the gas atmosphere include a mixed gas of oxygen and various inert gases, air, and the like. Among them, an air atmosphere is preferable from the viewpoint of industrial economy. On the other hand, when heating is performed in an atmosphere containing no oxygen, the precursor CoO is not generated, and as a result, no Co 2 C is generated.

加熱温度としては、使用する溶媒の種類にも依存し、その溶媒の沸点等を考慮して適宜調整すればよいが、例えば250℃以上350℃以下に調整することが好ましい。また、加熱温度としては、260℃以上340℃以下がより好ましく、270℃以上330℃以下に調整することがさらに好ましい。本実施の形態においては、高沸点溶媒である脂肪族アミンを用いているため、加圧をしなくてもこのような高温条件で加熱することができる。なお、加熱温度が250℃未満であると、CoC粒子の生成速度が遅くなり、効率的に製造することができない。一方で、加熱温度が350℃を超えると、使用する溶媒が沸騰するおそれがある。ただし、前駆液を加圧する場合においては、350℃以上に設定することができる。 The heating temperature depends on the type of the solvent to be used, and may be appropriately adjusted in consideration of the boiling point of the solvent and the like. Further, the heating temperature is more preferably 260 ° C. or more and 340 ° C. or less, and further preferably adjusted to 270 ° C. or more and 330 ° C. or less. In the present embodiment, since an aliphatic amine which is a high boiling point solvent is used, heating can be performed under such high temperature conditions without applying pressure. If the heating temperature is lower than 250 ° C., the production rate of Co 2 C particles becomes slow, and efficient production cannot be achieved. On the other hand, if the heating temperature exceeds 350 ° C., the solvent used may be boiled. However, when the precursor solution is pressurized, the temperature can be set to 350 ° C. or higher.

加熱時間としては、加熱温度にも依存し、その温度も考慮して適宜調整すればよいが、2時間を超える時間で行うことが好ましい。また、加熱時間としては、5時間以上とすることがより好ましく、10時間以上とすることがさらに好ましく、20時間以上で加熱処理することが特に好ましい。なお、加熱時間が2時間未満であると、加熱が不十分であることにより、生成する前駆物質のCoOがCoCに変化しなくなり、効果的にCoCの結晶構造が得られない可能性がある。 The heating time depends on the heating temperature, and may be appropriately adjusted in consideration of the heating temperature. However, the heating time is preferably longer than 2 hours. The heating time is more preferably 5 hours or more, further preferably 10 hours or more, and particularly preferably 20 hours or more. If the heating time is less than 2 hours, insufficient heating causes CoO as a precursor to be generated to not change to Co 2 C, so that a Co 2 C crystal structure cannot be effectively obtained. There is.

また、加熱に際しては、一般的な反応器を用いて行うことができる。   In addition, heating can be performed using a general reactor.

(3)処理工程
なお、必須の態様ではないが、加熱工程において得られた炭素粒子担持CoC触媒に対して、洗浄処理、乾燥処理等の後処理を施すことができる(後処理工程)。この後処理工程での洗浄や乾燥の処理を施すことで乾燥紛体を得る。
(3) Treatment Step Although not an essential aspect, the carbon particle-supported Co 2 C catalyst obtained in the heating step can be subjected to post-treatments such as a washing treatment and a drying treatment (post-treatment step). . A dry powder is obtained by performing washing and drying processes in this post-processing step.

例えば、後処理工程としては、先ず、加熱工程にて得られた炭素粒子担持CoC触媒が分散している脂肪族アミンを冷却する。次いで、溶媒を用いて洗浄し、十分に脂肪族アミン等と除去した後、乾燥させ、炭素粒子担持CoC触媒を得る。 For example, in the post-treatment step, first, the aliphatic amine in which the carbon particle-supported Co 2 C catalyst obtained in the heating step is dispersed is cooled. Next, the resultant is washed with a solvent to sufficiently remove the aliphatic amine and the like, and then dried to obtain a carbon particle-supported Co 2 C catalyst.

脂肪族アミン溶媒の冷却方法としては、特に制限されず、例えば、そのまま放置して徐冷することができる。また、冷却器を用いて冷却することもできる。   The method for cooling the aliphatic amine solvent is not particularly limited, and for example, it can be left as it is and slowly cooled. Further, cooling can be performed using a cooler.

洗浄溶媒としては、特に制限されず、例えば、水、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、アセトン、酢酸エチル、ヘキサン等を使用することができる。これらの洗浄溶媒は、1種の溶媒を単独で、又は2種以上の溶媒を組み合わせて用いることができる。また、洗浄処理は、複数回にわたって行うことができる。なお、原料として使用する、脂肪族アミン、アセチルアセトン、微量のコバルトイオン等がそれぞれ溶媒に対して異なる溶解度を有することから、2種以上の溶媒を複数回にわたって使用し洗浄することが好ましく、洗浄溶媒種としてはヘキサン及びエタノールを用いることがより好ましい。   The washing solvent is not particularly limited, and for example, water, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, acetone, ethyl acetate, hexane and the like can be used. One of these washing solvents can be used alone, or two or more solvents can be used in combination. Further, the cleaning process can be performed a plurality of times. In addition, since aliphatic amines, acetylacetone, trace amounts of cobalt ions, and the like used as raw materials have different solubilities in the solvent, it is preferable to use two or more solvents for washing a plurality of times, and to wash the solvent. More preferably, hexane and ethanol are used as seeds.

洗浄方法としては、特に制限されず、粒子を洗浄するための一般的な手法を用いることができる。例えば、遠心分離やろ過と共に洗浄することができる。また、大規模な設備においては、バッチ式洗浄により洗浄することもできる。   The washing method is not particularly limited, and a general method for washing particles can be used. For example, washing can be performed together with centrifugation and filtration. In a large-scale facility, cleaning can be performed by batch-type cleaning.

乾燥処理としては、特に制限されず、粒子を乾燥するための一般的な手法を用いて乾燥することができる。例えば、自然乾燥、加温乾燥、減圧乾燥、凍結乾燥等の乾燥方法を用いて行うことができる。   The drying treatment is not particularly limited, and the particles can be dried using a general method for drying particles. For example, the drying can be performed using a drying method such as natural drying, heated drying, reduced pressure drying, and freeze drying.

なお、上述のように一例として示した製造方法は、触媒粒子としてCo2C粒子を用いた電極触媒の製造方法であるが、もちろん、他の金属からなる触媒粒子を用いた電極触媒を合成する場合にも適用することができる。   The manufacturing method shown as an example as described above is a method for manufacturing an electrode catalyst using Co2C particles as catalyst particles, but, of course, when synthesizing an electrode catalyst using catalyst particles made of other metals. Can also be applied.

例えば、触媒粒子として炭化ニッケルを用いる場合には、上述した製造方法におけるコバルト源に代えて、ニッケル源としてニッケル塩やニッケル錯体を用いて製造することができる。   For example, when nickel carbide is used as the catalyst particles, it can be manufactured using a nickel salt or a nickel complex as the nickel source instead of the cobalt source in the above-described manufacturing method.

また、上述の製造方法の一例において、CoCの炭素源として、担体である炭素粒子を用いているが、担体として炭素を含まないものを使用する場合、担体の他に炭素源として、他の添加物を添加し使用することができる。 Further, in one example of the above-described production method, carbon particles as a carrier are used as a carbon source of Co 2 C. However, when a carbon-free material is used as a carrier, other Can be added and used.

同様にして、ホウ化物や窒化物を製造する場合、ホウ素源や窒素源としては、担体を使用しても、担体以外の添加物を添加し使用してもよい。   Similarly, when a boride or a nitride is produced, a carrier may be used or an additive other than the carrier may be added and used as a boron source or a nitrogen source.

以下、実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら制限されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.

本実施例においては、触媒粒子の一例として炭化コバルト(CoC)粒子を選択し、この炭化コバルト粒子を担体である炭素粒子に担持させた電極触媒について、(1)カーボンブラック担持炭化コバルト触媒の調製、(2)炭化コバルト触媒の性状分析、(3)炭化コバルト触媒の酸素還元性能の評価、及び(4)繰り返し酸素還元試験による炭化コバルト触媒の耐久性評価、のそれぞれを行った。 In this embodiment, cobalt carbide (Co 2 C) particles are selected as an example of the catalyst particles, and the electrode catalyst in which the cobalt carbide particles are supported on carbon particles as a carrier is as follows. , (2) analysis of the properties of the cobalt carbide catalyst, (3) evaluation of the oxygen reduction performance of the cobalt carbide catalyst, and (4) durability evaluation of the cobalt carbide catalyst by a repeated oxygen reduction test.

(1)カーボンブラック担持炭化コバルト触媒(CoC/C)の調製
図2に、カーボンブラックに担持した炭化コバルト触媒(CoC/C)の調製方法のフロー図を示す。先ず、高沸点溶媒であるオレイルアミン(東京化成株式会社製,化学式[NH(CH(CH)(CHCH]),式量267.5)中へ、コバルトの前駆体となるコバルトアセチルアセトネート2水和物(略称Co(acac)・2HO,化学式〔Co(C〕・2HO,式量293.18)を147mg添加し、溶解させた後、担体としてのカーボンブラック(Vulcan carbon XC−72(surface area 250m/g,CABOT社製)を50mg添加し分散させた(Co/C=50wt%)。
(1) Preparation of Carbon Black-Supported Cobalt Carbide Catalyst (Co 2 C / C) FIG. 2 shows a flowchart of a method for preparing a carbon carbide catalyst (Co 2 C / C) supported on carbon black. First, a precursor of cobalt was introduced into oleylamine (a chemical formula [NH 2 (CH 2 ) 8 (CH) 2 (CH 2 ) 7 CH 3 ] manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.), a formula amount of 267.5, which is a high boiling point solvent. cobalt acetylacetonate dihydrate (abbreviated Co (acac) 2 · 2H 2 O, the chemical formula [Co (C 5 H 7 O 2 ) 2 ] · 2H 2 O, formula weight 293.18) as a body of 147mg additives Then, 50 mg of carbon black (Vulcan carbon XC-72 (surface area 250 m 2 / g, manufactured by CABOT)) as a carrier was added and dispersed (Co / C = 50 wt%).

次に、加熱温度を290℃又は320℃として、それぞれの温度において、30分〜24時間加熱した。   Next, the heating temperature was set to 290 ° C. or 320 ° C., and heating was performed at each temperature for 30 minutes to 24 hours.

この加熱時間経過後、加熱撹拌を止め、フラスコを十分に冷却した後、それぞれの内容物にヘキサン50mlを添加し遠心分離を行った。液相分を除いた残りの固形分を、さらにエタノール50mlでよく分散させ遠心分離を行った。このエタノール洗浄を合計2回行った。このようにして得られた固形分を、大気中50℃の温度で乾燥した。   After the elapse of the heating time, the heating and stirring were stopped, and the flask was sufficiently cooled. Then, 50 ml of hexane was added to each content and centrifuged. The remaining solid content excluding the liquid phase was further dispersed well with 50 ml of ethanol and centrifuged. This ethanol washing was performed twice in total. The solid thus obtained was dried at a temperature of 50 ° C. in the atmosphere.

(2)試作触媒の性状分析
図3に、加熱温度320℃、加熱時間24時間の条件で得られた生成粉末の透過型電子顕微鏡(TEM)写真を示す。図3のTEM写真図に示すように、比較的淡く映るカーボンブラック担体上に、比較的小さな10nm以下の色濃い粒子(小粒子)が斑状に観察された。これらの小粒子をエネルギー分散型X線分光法(EDX)にて同定を行った結果、Co由来のピークが観察され、それ以外の元素由来のピークは観察されなかった。このようなTEM観察の結果より、得られた粒子は、カーボン担体上に分散し、その粒径は約10nmであり、Coを含有することが分かった。
(2) Analysis of Properties of Prototype Catalyst FIG. 3 shows a transmission electron microscope (TEM) photograph of the produced powder obtained under the conditions of a heating temperature of 320 ° C. and a heating time of 24 hours. As shown in the TEM photograph of FIG. 3, relatively small dark particles (small particles) of 10 nm or less were observed on the carbon black carrier which appeared relatively pale. As a result of identifying these small particles by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), peaks derived from Co were observed, and peaks derived from other elements were not observed. From the result of such TEM observation, it was found that the obtained particles were dispersed on the carbon support, the particle size was about 10 nm, and Co was contained.

次に、得られた生成粉末について、粉末X線回折(XRD)測定を行った。図4に、加熱温度290℃で、それぞれ(a)30分、(b)1時間、(c)2時間、(d)12時間、(e)24時間の時間で加熱して得られたカーボンブラック担持炭化コバルト触媒(CoC/C)のXRDの測定結果を示す。また、図5に、加熱温度320℃で、それぞれ(a)30分、(b)2時間、(c)5時間、(d)12時間、(e)24時間の時間で加熱して得られたカーボンブラック担持炭化コバルト触媒(CoC/C)のXRDの測定結果を示す。なお、XRD測定は、Cu−Kα線を使用し、40kV−30mA、2θを30°〜80°とする一般的な条件で回折パターン観察を行い、結晶構造解析を行った。 Next, the obtained product powder was subjected to powder X-ray diffraction (XRD) measurement. FIG. 4 shows carbon obtained by heating at a heating temperature of 290 ° C. for (a) 30 minutes, (b) 1 hour, (c) 2 hours, (d) 12 hours, and (e) 24 hours. The XRD measurement result of the black supported cobalt carbide catalyst (Co 2 C / C) is shown. FIG. 5 shows the results obtained by heating at a heating temperature of 320 ° C. for (a) 30 minutes, (b) 2 hours, (c) 5 hours, (d) 12 hours, and (e) 24 hours. 4 shows XRD measurement results of a carbon black-supported cobalt carbide catalyst (Co 2 C / C). In the XRD measurement, a Cu-Kα ray was used, and a diffraction pattern was observed under a general condition of 40 kV-30 mA and 2θ of 30 ° to 80 °, and a crystal structure analysis was performed.

XRD測定の結果、いずれの温度においても、24時間加熱して得られた粒子の結晶構造はCoC構造と一致した。また、これらの結果から、加熱温度をより高温にすることにより、CoCの形成が速くなることが分かった。 As a result of XRD measurement, the crystal structure of the particles obtained by heating for 24 hours at any temperature was consistent with the Co 2 C structure. From these results, it was found that the formation of Co 2 C was accelerated by increasing the heating temperature.

さらに、それぞれの加熱時間の結果から、CoCの結晶構造はCoOの結晶構造を経由して形成されることが分かった。この点に関して、本実験を窒素雰囲気下にて行うことでCoO構造が形成されない条件で合成を行ったところ、CoC構造は形成されなかった。このことからも、CoOの結晶構造が形成された後に、CoCの結晶構造になることが分かった。 Further, it was found from the results of the respective heating times that the crystal structure of Co 2 C was formed via the crystal structure of CoO. Regarding this point, when the synthesis was performed under the condition that the CoO structure was not formed by performing this experiment in a nitrogen atmosphere, the Co 2 C structure was not formed. This also indicates that the Co 2 C crystal structure is formed after the CoO crystal structure is formed.

一方、加熱温度320℃、加熱時間24時間の条件で得られたCoC中のコバルト原子と炭素原子とのモル比(Co:C)を、X線光電子分光法(装置:Kratos Analytical社製ESCA 3400)により測定したところCo:C=68:32であった。 On the other hand, the molar ratio (Co: C) of cobalt atoms and carbon atoms in Co 2 C obtained under the conditions of a heating temperature of 320 ° C. and a heating time of 24 hours was measured by X-ray photoelectron spectroscopy (apparatus: manufactured by Kratos Analytical). (ESCA 3400), it was Co: C = 68: 32.

(3)炭化コバルト触媒の酸素還元性能の評価
加熱温度320℃、加熱時間24時間の条件で得られたCoC/Cナノ粒子のORR活性を測定するため、過塩素酸(HClO)水溶液中にて回転電極を用い、リニアスイープボルタンメトリー(LSV)により酸素還元反応における反応開始電位を測定した。
(3) Evaluation of oxygen reduction performance of cobalt carbide catalyst In order to measure the ORR activity of Co 2 C / C nanoparticles obtained at a heating temperature of 320 ° C. and a heating time of 24 hours, a perchloric acid (HClO 4 ) aqueous solution was used. Using a rotating electrode in the inside, the reaction initiation potential in the oxygen reduction reaction was measured by linear sweep voltammetry (LSV).

なお、このような手法は、電気化学分析法の中でも一般的なものであり、測定する系に印加する電位を変化させ、その変化に応答して変化する電流を計測し、その電流を解析することにより分析を行う方法である。即ち、還元電位が高いほど、容易に還元反応が進行することを意味する。   In addition, such a method is a general one among electrochemical analysis methods, in which a potential applied to a system to be measured is changed, a current that changes in response to the change is measured, and the current is analyzed. This is a method for performing analysis. That is, the higher the reduction potential, the more easily the reduction reaction proceeds.

評価は、ビー・エー・エス社製の回転リングディスク電極装置(RRDE−3A)を用いて行った。本装置において、カウンター電極には白金極を使用し、参照電極にはAg/AgCl電極を使用した。また、掃引電位を−0.1V〜1.2V、掃引スキャン速度を5mVs −1 、電極の回転速度を1600rpmとした。また、過塩素酸(HClO )水溶液のpHは1.01であった。
The evaluation was performed using a rotating ring disk electrode device (RRDE-3A) manufactured by BAS. In this apparatus, a platinum electrode was used as a counter electrode, and an Ag / AgCl electrode was used as a reference electrode. Further, the sweep potential was -0.1 V to 1.2 V, the sweep scan speed was 5 mVs- 1 and the electrode rotation speed was 1600 rpm. Further, pH of perchloric acid (HClO 4) water solution was 1.01.

具体的には、形成したカーボンブラック担持炭化コバルト触媒(CoC/C)を、1−プロパノールに加えて超音波洗浄機を使用してよく分散させ、4mg/mlの分散液を調製した。このうち5μlを試料回転電極に入れて大気中で風乾した。次いで、和光純薬製のプロトン伝導体電解質材20%Nafion(登録商標)溶液(スルホ化処理テトラフルオロエチレン共重合体のプロパノール溶液)1mlに、1−プロパノール9mlを加えて混合したものを、先の試料回転電極に注入して、大気中で風乾した。 Specifically, the formed carbon black-supported cobalt carbide catalyst (Co 2 C / C) was added to 1-propanol and well dispersed using an ultrasonic cleaner to prepare a 4 mg / ml dispersion. Of these, 5 μl was placed in a sample rotating electrode and air-dried in air. Next, 9 ml of 1-propanol was added to 1 ml of a 20% Nafion (registered trademark) solution (a propanol solution of a sulfonated tetrafluoroethylene copolymer) made of a proton conductor electrolyte material manufactured by Wako Pure Chemical Industries, and mixed. And air-dried in air.

図6に、酸素還元性能の評価結果を示す。また、対照実験として、CoO/C、Co/Cナノ粒子についても同様の酸素還元性を測定した。その結果、CoO/C、Co/Cナノ粒子については、反応開始電位がそれぞれ0.25V,0.31Vとなり、カーボン担体のみで測定した時の反応開始電位0.28Vと大きな差はなく有効な活性を示さなかった。これに対し、CoC/Cナノ粒子では、反応開始電位が0.61Vとなり、高い酸素還元反応活性を有することが分かった。 FIG. 6 shows the evaluation results of the oxygen reduction performance. As a control experiment, the same oxygen reduction property was measured for CoO / C and Co / C nanoparticles. As a result, with respect to CoO / C and Co / C nanoparticles, the reaction initiation potentials were 0.25 V and 0.31 V, respectively, and there was no significant difference from the reaction initiation potential of 0.28 V when measured only with the carbon carrier, which was effective. No activity was shown. On the other hand, the Co 2 C / C nanoparticles had a reaction initiation potential of 0.61 V, indicating a high oxygen reduction reaction activity.

(4)繰り返し酸素還元試験による炭化コバルト触媒の耐久性評価
次に、形成したカーボンブラック担持炭化コバルト(CoC/C)ナノ粒子の酸素還元反応触媒としての耐久性を評価した。
(4) Durability Evaluation of Cobalt Carbide Catalyst by Repeated Oxygen Reduction Test Next, the durability of the formed carbon black-supported cobalt carbide (Co 2 C / C) nanoparticles as an oxygen reduction reaction catalyst was evaluated.

評価の方法としては、前項の評価試験での電位の掃引を2000回繰り返し、そのときの還元電位を測定し、その2000回の評価試験前後での還元開始電位の変化を評価した。図7に、耐久性の評価結果を示す。   As an evaluation method, the potential sweep in the evaluation test described in the preceding section was repeated 2,000 times, the reduction potential at that time was measured, and the change in reduction onset potential before and after the 2000 evaluation tests was evaluated. FIG. 7 shows the evaluation results of the durability.

図7に示すように、測定1回目と2000回目のそれぞれの開始電位を比較したところ、ともに開始電位は0.61Vであり繰り返し使用による開始電位の低下は確認されず、耐久性が高いことが分かった。このLSVによる酸素還元反応活性評価は、pH=1.01下の強酸性条件で行われたにも関わらず、CoCは溶解せずに高い酸化還元反応活性を示したことから、CoCは耐酸性の高い電極触媒であること分かった。 As shown in FIG. 7, when the starting potentials of the first measurement and the 2000th measurement were compared, the starting potentials were both 0.61 V, and no decrease in the starting potential due to repeated use was confirmed, indicating that the durability was high. Do you get it. Oxygen reduction reaction activity evaluation by the LSV, despite was performed under strongly acidic conditions below pH = 1.01, since the Co 2 C showed a high oxidation-reduction active without dissolving, Co 2 C was found to be a highly acid-resistant electrocatalyst.

以上のとおり、コバルト(Co)及びニッケル(Ni)からなる群から選択される1以上の遷移金属のホウ化物又は炭化物のナノ粒子は、高い酸素還元反応活性能を示し、プロトン酸性質環境下での耐久性を有するものであることが分かった。そして、これらのホウ化物又は炭化物のナノ粒子を、固体高分子形燃料電池等のプロトンが電解質膜を透過する形の燃料電池の空気極の電極触媒として用いることで、白金を使用せずに高い酸素還元反応活性能を有する燃料電池が得られることが分かった。   As described above, the boride or carbide nanoparticles of one or more transition metals selected from the group consisting of cobalt (Co) and nickel (Ni) show high oxygen reduction reaction activity and can be used in a protic acid environment. It was found to have durability. Then, by using these boride or carbide nanoparticles as an electrode catalyst of an air electrode of a fuel cell in which protons permeate an electrolyte membrane such as a polymer electrolyte fuel cell, the use of platinum is high without using platinum. It was found that a fuel cell having oxygen reduction reaction activity was obtained.

Claims (8)

プロトンが電解質膜を透過する形の燃料電池の正極を構成する触媒層に用いられる電極触媒であって、
担体に担持された触媒粒子を含み、
前記触媒粒子は、コバルト(Co)及びニッケル(Ni)からなる群から選択される1以上の遷移金属のホウ化物又はコバルト(Co)の炭化物を含む電極触媒。
An electrode catalyst used for a catalyst layer constituting a positive electrode of a fuel cell in which protons permeate an electrolyte membrane,
Including catalyst particles supported on a carrier,
An electrocatalyst, wherein the catalyst particles include a boride of one or more transition metals selected from the group consisting of cobalt (Co) and nickel (Ni) , or a carbide of cobalt (Co) .
前記触媒粒子の粒径が50nm以下である
請求項1に記載の電極触媒。
The electrode catalyst according to claim 1, wherein the particle size of the catalyst particles is 50 nm or less.
pHが1.01の過塩素酸水溶液中において、回転電極を用い、リニアスイープボルタンメトリーにより測定される、酸素還元反応の反応開始電位が0.4V以上である
請求項1又は2に記載の電極触媒。
The electrode catalyst according to claim 1 or 2, wherein the reaction start potential of the oxygen reduction reaction is 0.4 V or more as measured by linear sweep voltammetry using a rotating electrode in a perchloric acid aqueous solution having a pH of 1.01. .
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電極触媒を、正極を構成する触媒層に含む、プロトンが電解質膜を透過する形の燃料電池。 A fuel cell comprising the electrode catalyst according to any one of claims 1 to 3 in a catalyst layer constituting a positive electrode , wherein protons pass through an electrolyte membrane. プロトンが電解質膜を透過する形の燃料電池に用いられる電極触媒の製造方法であって、
コバルト(Co)及びニッケル(Ni)からなる群から選択される1以上の遷移金属を含む脂肪族アミン溶液中に、担体を分散させ、前駆液を調製する前駆液調製工程と、
前記前駆液を、酸素を含むガス雰囲気下で、250℃以上350℃以下で加熱する加熱工程と、
を有する電極触媒の製造方法。
A method for producing an electrode catalyst used for a fuel cell in which protons pass through an electrolyte membrane,
A precursor solution preparing step of preparing a precursor solution by dispersing a carrier in an aliphatic amine solution containing one or more transition metals selected from the group consisting of cobalt (Co) and nickel (Ni);
A heating step of heating the precursor solution at 250 ° C. or higher and 350 ° C. or lower in a gas atmosphere containing oxygen;
A method for producing an electrode catalyst comprising:
前記担体は炭素粒子を含み、該担体に含まれる炭素原子の質量に対する、前記前駆液に含まれる前記遷移金属の質量比が0.1以上2以下である
請求項5に記載の電極触媒の製造方法。
The production of the electrode catalyst according to claim 5, wherein the carrier includes carbon particles, and a mass ratio of the transition metal included in the precursor solution to a mass of carbon atoms included in the carrier is 0.1 or more and 2 or less. Method.
前記脂肪族アミン溶液に含まれる前記遷移金属の濃度が、5mmol/L以上50mmol/L以下である
請求項5又は6に記載の電極触媒の製造方法。
The method for producing an electrode catalyst according to claim 5 or 6, wherein the concentration of the transition metal contained in the aliphatic amine solution is 5 mmol / L or more and 50 mmol / L or less.
前記加熱工程における加熱時間は、2時間超である
請求項5乃至のいずれか1項に記載の電極触媒の製造方法。
The method for producing an electrode catalyst according to any one of claims 5 to 7 , wherein the heating time in the heating step is longer than 2 hours.
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